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L'accelerazione di elettroni mediante acceleratori convenzionali sta richiedendo negli ultimi decenni l'utilizzo di macchine sempre più grandi e costose. Questo è dovuto al fatto che il campo elettrico accelerante è limitato dalla soglia di rottura dei materiali costituenti le cavità a radio frequenza, che è di circa 10100 MV/m. Una soluzione per aumentare i campi elettrici oltre tale limite (per la realizzazione di acceleratori più compatti e meno costosi) è offerta dalle proprietà dei plasmi, nei quali la materia è già ionizzata e non sussiste quindi il limite di “breakdown”.
Nell'ambito della ricerca e dello sviluppo di tecniche innovative per la realizzazione di acceleratori compatti di elettroni, l'INFN ha avviato in collaborazione con il CNR il Progetto Strategico PLASMONX (PLASma acceleration and MONochromatic X-ray production). Questo progetto prevede l'installazione di un sistema laser da oltre 200 TW in grado di produrre impulsi ultracorti di durata fino a 25 fs.
Il principale obiettivo di questo progetto consiste nella messa a punto di nuove tecniche di accelerazione basate su plasmi prodotti da laser. In particolare, l'oggetto di questa tesi è l'esperimento di accelerazione di elettroni per autoiniezione, SITE (Self Injection Test Experiment), previsto nella fase finale del “commissioning” del sistema laser. In questo esperimento l'impulso laser crea un'onda elettronica di scia nel regime fortemente non lineare di “bolla”, caratterizzato da una zona approssimativamente sferica e parzialmente svuotata di elettroni, in cui vengono catturati ed accelerati parte degli elettroni del plasma (autoiniezione per wavebreaking dell'onda di plasma).
Questa tesi riguarda il lavoro sperimentale in cui sono stato impegnato per diversi mesi presso i LNF dell'INFN, durante le fasi finali della realizzazione del laboratorio laser FLAME (Frascati Laser for Acceleration and Multidisciplinary Experiments) ed i primissimi test di accelerazione.
In questo lavoro di tesi ho sviluppato un algoritmo numerico in grado di processare automaticamente centinaia di immagini relative alla rivelazione degli elettroni accelerati. Si è potuto così caratterizzare il loro puntamento e la loro divergenza colpo su colpo. Le distribuzioni di queste grandezze mostrano che l'instabilità di puntamento (sia verticale che orizzontale) è minore di 15 mrad, la divergenza verticale dei pacchetti è minore di 5 mrad, mentre quella orizzontale minore di 10 mrad (tutti valori RMS).
L'analisi qualitativa delle immagini della diffusione Thomson della luce laser mostra che, entro le lunghezze d'interazione laser plasma (circa 2 mm), si innescano regimi di self-focus degli impulsi laser, quando la potenza è sufficientemente elevata (circa 30 TW).
Sono state effettuate anche delle prime valutazioni energetiche degli elettroni accelerati.
Dapprima abbiamo utilizzato un calorimetro costituito da un pacchetto di fogli di radiocromico alternati a fogli di materiali ad alto Z (Al, Fe, Pb). In questo modo abbiamo potuto verificare che l'energia degli elettroni accelerati eccedeva i 50 MeV.
Successivamente abbiamo impiegato un'elemento dispersivo costituito da un magnete permanente da circa 1 T. Le misure, seppur preliminari, indicano che sono stati accelerati pacchetti di elettroni ad energie di centinaia di MeV su lunghezze di accelerazione millimetriche.